Adán Cabello de la Universidad de Sevilla concluye que el entrelazamiento cuántico no es necesario para la computación cuántica

Por Francisco R. Villatoro, el 27 octubre, 2009. Categoría(s): Ciencia • Computación cuántica • Física • Mecánica Cuántica • Personajes • Physics • Science ✎ 12

Dibujo20091027_9_observables_and_6_measurement_contexts_or_settings_for_verification_kochen_Specker_theorem

La mecánica cuántica ofrece resultados estadísticos para los posibles resultados de una medida. ¿Tienen los sistemas cuánticos valores definidos para ciertos parámetros que nos son ocultos tales que el resultado de la medida es una observación de dichos valores? Es decir, ¿podría existir una descripción estadística subyacente a la mecánica cuántica, digamos una teoría de variables ocultas TVO? No. Todos los experimentos realizados hasta el momento demuestran que no es así. No hay una “realidad” subyacente a la mecánica cuántica. El realismo es la hipótesis que afirma que lo que existe en el mundo físico tiene propiedades que son independientes de la existencia de algún observador que las observe. Filosóficamente la mecánica cuántica no es realista. A muchos no les gusta porque es como si la “realidad” no existiera y se fuera construyendo conforme un observador la va observando.

Hay básicamente dos (tipos de) teoremas que han sido verificados experimentalmente y que demuestran estos hechos. Por un lado, el teorema de Bell, que afirma que dicha TVO no puede ser local (debe permitir viajar más rápido que la velocidad de la luz). Por otro lado, el teorema de Kochen-Specker, que afirma que la mecánica cuántica es contextual, el valor observado depende de cómo sea observado. En una teoría de variables ocultas no contextual, un sistema cuántico tendría una propiedad (un valor para un observable) independiente de cómo dicho valor vaya a ser medido (el contexto de la medida). Las propiedades de un sistema cuántico serían independientes del observador. La evidencia experimental de que la mecánica cuántica es contextual es muy fuerte.

En España tenemos a un experto mundial en este campo (la verificación experimental de los teoremas de Kochen-Specker), el físico español Adán Cabello, catedrático de la Universidad de Sevilla. Recientemente ha publicado un espectacular artículo en PRL (el cuarto en lo que va de año) que merece toda nuestra atención Elias Amselem, Magnus Rådmark, Mohamed Bourennane, Adán Cabello, “State-Independent Quantum Contextuality with Single Photons,” Phys. Rev. Lett. 103: 160405, 2009 [ArXiv preprint]. Pero Adán no sólo se conforma con publicar en PRL, este artículo es una secuela de un artículo previamente publicado en la mismísima Nature también este año, G. Kirchmair, F. Zähringer, R. Gerritsma, M. Kleinmann, O. Gühne, A. Cabello, R. Blatt, C. F. Roos, “State-independent experimental test of quantum contextuality,” Nature 460: 494-497, 23 July 2009 [ArXiv preprint]. He de quitarme la espinita que tengo clavada por no haber tenido tiempo en agosto de comentaros este último artículo.  Así que el nuevo PRL es una magnífica oportunidad para ello. Por cierto, este año Adán está “sembrado,” ya lleva 16 artículos en el ArXiv

El artículo de Nature presenta un experimento realizado en Innsbruck (Austria), demostraba la validez del teorema de Kochen-Specker para el entrelazamiento de pares de átomos. El nuevo artículo en PRL presenta un experimento realizado en Estocolmo (Suecia) que demuestra dicho teorema para un único fotón. No es necesario recurrir al entrelazamiento (como de hecho así ocurre en la demostración matemática) para verificar el teorema de Kochen-Sopecker. Sea cual sea el estado inicial de los fotones, hay 9 observables (medidas) combinadas de 6 formas distintas (contextos de medida) cuyos resultados concuerdan con lo esperado según la no contextualidad de la mecánica cuántica, violando, haciendo la media para los diferentes contextos, unas 655 desviaciones típicas el resultado esperado para una teoría de variables ocultas contextual (en uno de los casos la violación alcanza 1509 desviaciones típicas).

Dibujo20091027_single_photon_source_and_paths_after_beam_splitterLa figura que abre esta entrada muestra los 9 observables y los 6 contextos de medida estudiados. Como sistema cuántico han utilizado un solo fotón que almacena dos cubits de información cuántica. El primer cubit (s en la figura) está codificado por el camino que recorre el fotón tras atravesar un divisor de haz (beam splitter o BS en la figura), el rombo en las figuras, siendo los dos estados posibles (|0> y |1> del cubit) el camino reflejado y el transmitido (r y t en la figura). El segundo cubit es la polarización (p en la figura), siendo los dos estados posibles las polarizaciones horizontal y vertical (H y V en la figura).

Sin entrar en más detalles técnicos, hay que destacar que los resultados experimentales de Adán y sus colaboradores muestran que la violación por parte de la mecánica cuántica del teorema de Kochen-Specker se da incluso para los sistemas cuánticos más simples, sin necesidad de requerir el entrelazamiendo cuántico. Un único fotón permite observalo. Más aún, la violación se ha observado incluso para estados cuánticos con mezcla máxima, usualmente considerados estados “clásicos.” Adán Cabello interpreta sus resultados como que el entrelazamiento no es la característica de la física cuántica que la diferencia de la física clásica. El entrelazamiento cuántico no es el único recurso para el procesamiento de la información cuántica. Un uso adecuado del contexto de la medida permite aprovechar las ventajas de los ordenadores cuánticos. Si gracias a este resultado se desarrollan puertas lógicas cuánticas más sencillas, este artículo habrá sido un gran paso hacia los ordenadores cuánticos en el futuro.



12 Comentarios

  1. Hola, gracias por darnos a conocer a este autor, en otra interesante entrada de tu blog. Como antiguo alumno de la facultad de física de Sevilla, me ha extrañado no conocerlo ni de oidas. Ya he entrado en su web, y leyendo su curriculum veo que es catedrático en la escuela de arquitectura técnica. ¿Es esto lógico? ¿No podría aportar esta persona muchísimo más dando clases en una facultad de física? Como mínimo el caso invita a reflexión una vez más sobre la situación de la universidad española.

    1. Salvador, es difícil explicar el artículo sin saber qué nivel tienes de física cuántica. Para empezar, mira a ver si te enteras de la explicación de lo que son los teoremas de Kochen-Specker que el propio Adán Cabello da en Investigación y Ciencia, en español, “Los experimentos no realizados no tienen resultados“. Si el nivel es muy alto para tí, mira a ver qué te parece “La sorprendente incompatibilidad de la idea de realidad einsteiniana con la mecánica cuántica (o de cómo la mecánica cuántica es más extraña de lo que usualmente se cree),” cuando Adán era estudiante, cuyo nivel es mucho más divulgativo.

      Si estás interesado en el concepto de realidad y “lo real” en mecánica cuántica quizás disfrutes del artículo “Elementos de realidad locales versus mecánica cuántica,” entre la física y la metafísica. Desde el punto de vista filosófico, la mecánica cuántica requiere una manera “propia” de pensar, que incluya una “lógica cuántica” que los que no la conocen les resulta “ilógica,” en cualquier caso, si te interesa el tema, te recomiendo “Introducción a la lógica cuántica.”

      Y ya que estamos con los artículos en español de Adán, aunque no tiene nada que ver con esta entrada, quizás te interese leer “Reducción de la comunicación mediante entrelazamiento:del “descubrimiento más profundo de la ciencia” a la “pseudo-telepatía cuántica”.”

  2. Hola, que tal…?.
    Aún a riesgo de parecer imbecil, quisiera hacer otra pregunta.
    No comprendo bien la imagen de arriba.
    ¿Que son esos objetos descritos como PBS,BS,HWP,QWP,W,D?
    ¿Son cristales… polarizadores… no sé…?
    ¿En que se diferencian unos de otros?.
    Gracias…Un saludo…!

    1. Salvador, son dispositivos ópticos estándares en cualquier laboratorio de óptica. La definición de las siglas la explican en el preprint en ArXiv y en la wiki puedes encontrar más detalles.

      PBS = Polarizing Beam Splitter = es un cristal que divide un haz de luz en dos haces transversales con polarizaciones opuestas (wiki).

      BS = Beam Splitter = es un cristal que divide un haz de luz en dos haces que salen en direcciones transversales (wiki).

      HWP = Half Wave Plate = es un cristal que retrasa la luz polarizada en cierta dirección exactamente un semiperiodo, o una distancia de la mitad de la longitud de onda, de tal forma que la luz polarizada linealmente adquiere su polarización opuesta (wiki).

      QWP = Quarter Wave Plate = idem pero un cuarto de dicha longitud de tal forma que la luz polarizada linealmente se polariza circularmente y viceversa (wiki).

      W = Wedge = una cuña óptica es un cristal que actúa como filtro y reduce la transmitancia de un haz de forma proporcional a la distancia que el haz recorre en su interior. Utilizando varios se puede filtrar más o menos luz.

      D = Detector = lo dicho, un detector que cuenta los fotones que inciden sobre él.

  3. Hola emulenews:
    Como siempre, este artículo es extraordinario y debo felicitarte poor ello. Con todo creo que no estaría de más realizar algunas precisiones.
    En primer lugar, la no localidad impuesta por el teorema de Bell no es estrictamente equivalente a la transmisión de señales más veloces que la luz (FTL para abreviar). La compatibilidad genuina entre la teoría cuántica no relativista y la relatividad especial es un tema espinoso, pero todo indica que para que haya interacciones físicas ha de transmitirse energía e impulso de forma FTL, y eso no ocurre en las correlaciones cuánticas, que se dan entre pares de variables distribuidas estadísticamente (son correlaciones sin intercambio de energía e impulso).
    Tampoco es correcto afirmar que la teoría cuántica en general, o el teorema de Kochen-Specker en particular, obligan a una filosofía no realista del mundo físico. Es cierto, como tú dices, que “El realismo es la hipótesis que afirma que lo que existe en el mundo físico tiene propiedades que son independientes de la existencia de algún observador que las observe”. Pero esto sólo se ve desementido por la contextualidad de la física cuántica si consideramos que tales propiedades deben ser necesariamente representadas mediante números reales concretos (o sharp values, como dicen los técnicos).
    Admitiendo que son las distribuciones cuánticas de probabilidad las que representan matemáticamente las propiedades objetivas de los sistemas físicas, no hay problema para reconciliar la teoría cuántica (y el teorema de Kochen-Specker) con el realismo filosófico; un realismo algo más sofisticado, desde luego.

    Un saludo y mi enhorabuena de nuevo
    Infociber

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